Recursos Atmosfericos

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1 Recursos Atmosfericos Professor: Neyval Costa Reis Jr. Departamento de Engenharia Ambiental Centro Tecnológico UFES Programa Detalhado Atmosfera Camadas Constituintes Balanço de energia Ventos na atmosfera Poluentes Atmosféricos Principais poluentes suas fontes e seus efeitos sobre as propriedades da atmosfera, a saúde humana e animal, os vegetais e os materiais. Qualidade do ar Gestão da qualidade do ar de uma região Estimativa de emissão Monitoramento da qualidade do ar Dispersão de poluentes na atmosfera Meteorologia local e global da poluição do ar Estabilidade atmosférica Mecanismos de remoção Elementos e fatores climáticos. Aproveitamento energético eólico.

2 Aula II A Atmosfera A Atmosfera Camadas Constituintes Balanço de energia Ventos na atmosfera

3 Camadas da atmosfera Camadas da atmosfera

4 Fonte: atmosphere1.html Formação e Importância da Camada de O 3

5 Comprimento de Onda da Radiação Solar Incidente Fonte: Comprimento de Onda

6 Comprimento de Onda da Radiação Solar Incidente Nocivos fisica.ufpr.br/grimm/ aposmeteo/cap2/cap2-2.html O ozônio é formado na estratosfera, que é mais espessa nos pólos e mais fina nos trópicos (próximo ao equador). A quantidade de ozônio acima de um ponto na atmosfera é medido em Unidades Dobson (DU) - tipicamente ~260 DU próximo ao equador e acima disso em outras latitudes (mas grandes variações sazonais são encontradas nestes valores). O ozônio é criado quando a radiação ultra-violeta (UV) da luz solar chega à estratosfera, dissociando as moléculas de (O 2 ) em átomos de oxigênio (O). O oxigênio atômico rapidamente se combina com as moléculas de oxigênio formando o ozônio: O 2 + hv -> O + O (1) O + O 2 -> O 3 (2)

7 Formação e função do O 3 É importante notar que na troposfera o ozônio é nocivo. Entretanto, na estratosfera ele é extremamente benéfico, pois as reações químicas associadas a seu ciclo absorvem radiação UV, reduzindo os níveis de radiação na troposfera. Além da formação de ozônio a partir da dissociação do oxigênio, a radiação UV também participa da reação de destruição do ozônio (reação 3). Entretanto, o ozônio é reconstituído através da reação 2, resultando em uma variação total nula na quantidade de ozônio : O 3 + hv -> O 2 + O (3) O + O 2 -> O 3 (2) Adicionalmente o ozônio pode ainda ser destruído através da reação O + O 3 -> O 2 + O 2 (4) Reações 1, 2, 3 e 4 são chamadas reações de Chapman Produção de Ozônio na Estratosfera Radiação Ultravioleta incide sobre uma molécula de O fazendo com que ela se separe em 2 átomos de Oxigênio Os átomos livres colidem com outras moléculas de O para formar 2 moléculas de O 3.

8 Destruição de Ozônio na Estratosfera Radiação Ultravioleta incide sobre uma molécula de O fazendo com que ela se separe em átomo de O e molécula de O 2 O átomo livre colide com outra molécula de O para formar 2 moléculas de O 2. Formação do O 3 Formação de ozônio a partir da dissociação do oxigênio pela radiação UV : O 2 + hv -> O + O (1) O + O 2 -> O 3 (2) Além da formação de ozônio a partir da dissociação do oxigênio, a radiação UV também participa da reação de destruição do ozônio (reação 3 e 4). O 3 + hv -> O 2 + O (3) O + O 3 -> O 2 + O 2 (4)

9 Valores de pico de O 3 a aproximadamente 20km Altos níveis de hv, portanto grandes de taxas de reação para: O 2 + hv => O + O (reação 1) O 3 + hv => O 2 + O (reação 3) Porém, baixas taxas para: O + O 2 => O 3 (reação 2) devido à baixa densidade A densidade maior aumenta a absorção de radiação, reduzindo ainda mais as reações 1 e 3, diminuindo a abundância de Oxigênio atômico e, conseqüentemente, reduzindo significativamente a reação 2. Aumento de densidade combinado com a abundância de Oxigênio atômico (reação 1) aumenta a taxa da reação 2. A densidade maior também aumenta a absorção de radiação reduzindo a reação 3. As reações de Chapman O + O 2 => O 3 (reação 2) O 3 + hv => O 2 + O (reação 3) A reação 2 se torna mais lenta com o aumento da altitude, enquanto que a reação 3 se torna mais rápida, devido ao crescimento dos níveis de radiação (hv). A concentração de ozônio é um balanço entre estas duas reações. Nas regiões superiores da atmosfera, o oxigênio atômico prevalece e os níveis de radiação UV são elevados. Nas camadas mais baixas da estratosfera, o ar é mais denso, a absorção de UV é maior e os níveis de ozônio são mais elevados (valores de pico a aproximadamente 20km). Aproximando-se mais do nível do mar, os níveis de UV diminuem ainda mais e a concentração de ozônio decresce. Assim, uma camada rica em ozônio é formada na estratosfera, esta camada é muitas vezes chamada de Camada de Chapman.

10 O 3 + hv => O 2 + O (reação 3) O + O 2 => O 3 (reação 2) Aumento de altitude Aumento de radiação Reduçaõ de densidade Aumento de oxigênio atômico O 2 + hv => O + O (reação 1) Comprimento de Onda da Radiação Solar Incidente

11 Quais os problemas causados pelos raios ultravioleta? Apesar de a camada de ozônio absorver a maior parte da radiação ultravioleta, uma pequena porção atinge a superfície da Terra. É essa radiação que acaba provocando o câncer de pele, que mata milhares de pessoas por ano em todo o mundo. A radiação ultravioleta afeta também o sistema imunológico, minando a resistência humana a doenças como herpes. Os seres humanos não são os únicos atingidos pelos raios ultravioleta. Todos as formas de vida, inclusive plantas, podem ser debilitadas. Acredita-se que níveis mais altos da radiação podem diminuir a produção agrícola, o que reduziria a oferta de alimentos. A vida marinha também está seriamente ameaçada, especialmente o plâncton que vive na superfície do mar. Esses organismos minúsculos estão na base da cadeia alimentar marinha e absorvem mais da metade das emissões de dióxido de carbono (CO 2 ) do planeta. Perda de Ozônio sobre a Antártica A perda de Ozônio foi detectada pela primeira vez na Antártica. Apesar de existir também uma redução nos níveis de ozônio em latitudes medianas e no Ártico, a perda mais considerável ocorre na Antártica, onde quase todo o ozônio nas camadas inferiores da estratosfera já foi destruído (camada com vários km de espessura).

12 Evolução sazonal da coluna de ozônio em DU Porque na Antártida? Em todo o mundo as massas de ar circulam, sendo que um poluente lançado no Brasil pode atingir a Europa devido a correntes de convecção. Na Antártica, por sua vez, devido ao rigoroso inverno de seis meses, essa circulação de ar não ocorre e, assim, formam-se círculos de convecção exclusivos daquela área. Os poluentes atraídos durante o verão permanecem na Antártida até a época de subirem para a estratosfera. Ao chegar novamente o verão, os primeiros raios de sol quebram as moléculas de CFC encontradas nessa área, iniciando a reação.

13 Perda de Ozônio A perda de ozônio não está apenas concentrada na Antártica. Há perda de ozônio em algumas áreas densamente habitadas no hemisfério norte (latitudes de 30-40N). Entretanto, diferentemente da rápida queda na região Antártica (onde o ozônio a certas altitudes já foi quase que totalmente perdido), a perda de ozônio em latitudes intermediárias é bem mais lenta - apenas poucos % ao ano. Todavia, esta tendência é preocupante e tem sido objeto de estudo por diversos pesquisadores. Processos químicos ligados a perda de ozônio na estratosfera O Cloro (Cl) e o Bromo (Br) são os principais compostos causadores da destruição do ozônio na estratosfera. Quase que a totalidade do cloro na estratosfera, e aproximadamente metade do Bromo, estão relacionadas a atividades humanas (fontes antropogênicas).

14 CFC s (Cloro Fluor Carbonos) Conhecidos como os destruidores da camada de ozônio. Os CFC eram bastante utilizados como propelente para aerosois, líquidos refrigerantes e na fabricação de alguns plásticos. Os CFC são compostos altamente estáveis (dai sua grande aplicação industrial), que permanecem inertes na atmosfera por um longo período de tempo até que os movimentos de circulação da atmosfera os levem para altitudes mais elevadas. Em grandes altitudes (na estratosféra), onde a radiação solar é mais intensas, os CFC s se decompõem liberando átomos de Cl que são grandes destruidores de O 3. A reação As moléculas de clorofluorcarbono, ou Freon, passam intactas pela troposfera, que e a parte da atmosfera que vai dos 0 aos metros de altitude. Quando passam por essa parte, desembocam na estratosfera, onde os raios ultravioletas do sol estão em maior quantidade. Esses raios quebram as partículas de CFC (ClFC) liberando o átomo de cloro. Radição UV Cl C F

15 Os átomos de cloro liberados podem participar em ciclos de reações catalíticas que destroem ozônio, como, por exemplo: Cl + O 3 -> ClO + O 2 O O Cl O O ClO + O -> Cl + O 2 resultado líquido: O 3 + O -> 2O 2 O O O O O O O O O O Em 1989, 180 países, inclusive o Brasil, assinaram o Protocolo de Montreal, que visa controlar essas substâncias e reduzir sua produção e consumo.

16 O Brasil proibiu a fabricação de geladeiras e freezers com CFCs em Dois anos antes, em 1997, o país já havia deixado de fabricar veículos novos com condicionadores de ar que usavam os clorofluorcarbonetos. Em 2001, esse tipo de aparelho deixou de ser fabricado com CFCs. Com a produção de novos aparelhos controlada, o governo passou a concentrar suas ações na redução do consumo de CFCs, controlando a manutenção dos equipamentos fabricados antes das proibições. Com isso, foi criado, em 2002, o Plano Nacional de Eliminação de CFC. A prática normal, antes do Plano, para a manutenção de aparelhos refrigeradores era a liberação do gás na atmosfera e a inserção de um CFC novo e limpo em seu lugar. Depois, o gás passou a ser reciclado e reutilizado sem perdas para o ar.

17 Redução do Cloro na atmosfera após as medidas de limitação de emissão dos CFC s provável desaparecimento do buraco na camada de ozônio No Brasilaindahápoucocom quese preocupar No Brasil, a camada de ozônio ainda não perdeu 5% do seu tamanho original. Isso é o que dizem os instrumentos medidores do INPE (Instituto de Pesquisas Espaciais). O instituto acompanha a movimentação do gás na atmosfera desde 1978 e até hoje não detectou nenhuma variação significante. Talvez isso se deva a pouca produção de CFC no Brasil em comparação com os países de primeiro mundo. Isso se deve a que no Brasil, apenas 5% dos aerossois utilizam CFC, já que aqui uma mistura de butano e propano e significativamente mais barata, e funciona perfeitamente em substituição do clorofluorcarbono.

18 A Atmosfera Camadas Constituintes Balanço de energia Ventos na atmosfera Composição da Atmosfera CH 3 OOH 700 Nitrogênio Oxigênio H 2 O Argonio 78% 20% 1% CO 2 Ne He (5) CH 4 (1.8) ppm H 2 N 2 O 310 CO Ozônio ppb H 2 O Etano HCHO 300 HNO SO 2 NO x outros 500 NH ppt

19 Ar limpo X Ar contaminado CONCENTRAÇÃO (ppb) POLUENTE SO 2 CO NO NO 2 O 3 AR LIMPO ,01 0,05 0,1-0, AR CONTAMINADO Ciclos Globais Ciclo do Nitrogênio

20 Ciclos Globais Ciclo do Enxofre Lora (2002) Ciclos Globais Ciclo do Carbono Ciclo do carbono

21 Composição do Ar Limpo: N 2 78,09%* O 2 20,94% Ar 0,93% CO 2 0,0315% Ne % He % CH % Kr 0,00010% NO x 0,00005% H % Xe % Vapores % Orgânicos * Em volume Composição do Ar Limpo (ppm)*: N O Ar 9300 CO Ne 18 He 5,2 CH 4 1,2 Kr 1,0 NO x 0,5 H 2 0,5 Xe 0.08 Vapores 0.02 Orgânicos * Em volume

22 Composição do Ar Limpo (µg/m 3 ): N x10 8 O x10 8 Ar 1.52x10 7 CO x10 5 Ne 1.49x10 4 He 8.50x10 2 CH x10 2 Kr 3.43x10 3 NO x 9.00x10 2 H x10 1 Xe 4.29x10 2 Vapores - Orgânicos Unidades de concentração de contaminantes Concentração em ppm = Volume de contaminante Volume de ar Concentração em µg/m 3 = Massa de contaminante Volume de ar

23 Conversão de unidades de concentração de contaminantes c µ g 3 m = c p M [ ppm] [ Pa] [ g / mol ] T [ K ] c [µg/m 3 ] concentração dada em µg/m 3 c [ppm] M [g/mol] T [K] p [Pa] concentração dada em ppm valor da massa molecular da substância Temperatura da amostra em Kelvin Pressão dada em Pascal Exemplo de conversão de unidades de concentração Exemplo : Determinar a concentração em µg/m 3 de O 3 em uma amostra de ar a 298 K e 1 atm, sabendo que a concentração de O 3 na amostra é de 120 ppb. 0.12ppm c µ g m 3 = c p M [ ppm] [ Pa] [ g / mol ] T 1 atm = x10 5 Pa 48 gramas [ K ] = 298 K 235,6 µg/m 3

24 A Atmosfera Camadas Constituintes Balanço de energia Ventos na atmosfera Equilíbrio Energético Balanço de entre radiação incidente e emitida

25 Orientação em relação ao sol N L O S Fonte: GEOMETRIA DA TERRA PARA RADIAÇÃO SOLAR

26 Radiação incidente Radiação emitida Comprimento de Onda da Radiação Solar Incidente Fonte:

27 RADIAÇÃO SOLAR RECEBIDA NA TERRA

28 Espectro de absorção de radiação por alguns dos componentes da atmosfera

29 Temperatura média [ o C] CO 2 [ppm] Ano EFEITO ESTUFA Gases Estufa e o Comprimento de Onda Os raios Ultra-violeta emitidos pelo Sol passam pela Atmosfera >> Os Gases Estufa não absorvem esses raios devido ao seu pequeno comprimento de onda >> Esses raios são absorvidos pela Terra; A Terra libera em forma de calor raios Infravermelho >> Esses raios de grande comprimento de onda são absorvidos pelos Gases Estufa e transmitidos de volta à Terra >> Aquecendo a Terra e aumentando o Efeito Estufa.

30 EFEITO ESTUFA EFEITO ESTUFA

31 Espectro de absorção de radiação dos principais gases do Efeito Estufa A Atmosfera Camadas Constituintes Balanço de energia Ventos na atmosfera

32 Radiação solar menor radiação incidente maior radiação incidente menor radiação incidente Circulação de grande escala + frio + quente Visão simplificada + frio

33 Modelo Ideal (sem rotação) Entretanto Fonte: Força de Coriolis Força devida a rotação da terra. Exemplo: Tiro ao alvo sem rotação Tiro ao alvo com rotação

34 Força de Coriolis Força devida a rotação da terra. Exemplo: Tiro ao alvo sem rotação Tiro ao alvo com rotação Força de Coriolis Força devida a rotação da terra. Exemplo: para um observador externo para um observador sobre o alvo

35 Força de Coriolis Circulação global considerando a rotação da terra e um campo de ventos permanente Fonte:

36 Circulação global considerando a rotação da terra e um aquecimento não uniforme Fonte: Fonte: estmeteo/livpratm.htm

37 Fonte: estmeteo/livpratm.htm Estrutura dos ventos na troposfera

38 Circulação de grande escala na América do Sul (dados NOAA) On-line (imagens de satélite) CPTEC